锂离子电池电解质的研究与展望

只看该作者 · 2013-9-29 21:22

电解质是构成手机、笔记本、录像机等携带机器的能源的锂二次电池和锂一次电池容量的核心物质之一，并且提高移动阳极和阴极之间的流动性，起着媒质作用的物质。本论文针对锂离子电解质的分类、特性、预充电条件、安全性能几个方面进行阐述。
1.锂离子电池电解质的分类
电解质在正负极间起着传递电荷作用，应该对离子导电、对电子绝缘。它对电池循环性能、操作温度范围、电池的耐用程度有着极为重要的影响。对于锂离子电池而言，电解质的组成至少涉及两方面:溶剂和锂盐。
A.液体电解质
对溶剂的选择主要基于三个方面的性质要求.即介电常数、粘度及溶剂的电子施主性质。一般说来，高介电常数有利于锂盐的离解，同时强的电子施主能力将有利于电解质盐的溶解。所谓溶剂的电子施主性质是溶剂分子所固有的失电子能力，其能力大小决定了电解质阳离子的溶剂化能力的高低。低的粘度可以增加离子的流动性，有助于提高电导率。
目前通常使用两种或两种以上溶剂混合而成的二元、多元混合溶剂。常见的有机溶剂有醚(ether)、烷基碳酸脂(alkyl carbonate)、内脂(lactone)、缩酮(ketal)等。

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锂盐主要用来提供有效载流子。选择锂盐，一般遵循以下几个原则：
与正负极材料有良好稳定性(兼容性)，也就是说，在存储期间，电解质与活性物质界面电化学反应速度小，使电池的自放电容量损失减至最少;比电导率高，溶液的欧姆压降小;安全性能高，无毒，无污染。
常用的锂盐有如下几种:六氟砷酸锂(LiPF6)，在充放电过程中LIAsF6会释放出有毒砷化物，而且价格相对昂贵。六氟磷酸锂(LiPF6)，己在商业电池中广泛使用，有较高的电导率且对碳材料有较好的兼容性，缺点是价格相对昂贵，固态时稳定性较差，对水十分敏感。三氟甲基磺酸锂LiCF3SO2，有较好的稳定性，但其电导率仅为基于LiPF6的液体电解质的一半。四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiCl04)都是广泛使用的盐。但是，含高氯酸锂类亚胺基锂盐，典型的是双氟磺酞亚胺锂(LiN(CF3 SO2)2，其电导率可以和甚干LiPF6电解质相比拟，稳定性超过FLiCF3SO2。
B.固体电解质
固体电解质，又称“超离子导体”或“快离子导体”。

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是指离子电导率接近(或在某些情况下超过)熔翻和电解质溶液的一类固体离子导电材料。是一类介于固体和液体之间的奇特固体材料，是物质的一个异常状态，其中有一些原子(离子)，有接近于液体的迁移率，而其它原子则保持其空间结构(排列)。这种液一固二相性，以及它在能源(包括产生，贮存和节能等几个环节)、冶金、环保、电化学器件等各个领域的广阔应用前景，区而引起了物理学家、化学家和和材料学家的广泛重视.
聚合物固体电解质是由含有可溶剂化极性基团的聚合物与盐络合形成的固体电解质材料。它除了显示出半导体、离子溶液等常见电导体系的性质外，还具有四轴飞行器固体电解质所不及的可塑性，这一特性使聚合物固体电解质在应用上表现了三大优越性:
任意形状及厚度的薄膜。所以尽管聚合物电解质的室温电导率不高，较四轴飞行器的低2～3个数量级，由于加工成很薄的膜，使电池内阻大大降低，从而可通过提高面积/厚度比值来补偿电导的偏低;紧密性-与电极完整的接触，使充放电电流增大;应性-在充放电过程中能很好地承受压力的变化，适应电极体积变化。聚合物固体电解质质轻、耐压、抗震、耐疲劳、无毒无腐蚀以及与电极组成电池时所表现出的电化学稳定性为其应用开创了更广泛的前景。目前国内外的科学家们正致力于使它能应用在能源贮存、电化学元件、传感器等多方面的研究，在高比能锂电池的研制进程中已成为最强有力的竞争者。

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2.电解质的组成成份及特性
电解液是锂离子电池四大关键材料(正极、负极、隔膜、电解液)之一，号称锂离子电池的“血液”，在电池中正负极之间起到传导电子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐(六氟磷酸锂，LiFL6)、必要的添加剂等原料，在一定条件下，按一定比例配制而成的。
电解质主要有以下几大特性：耐还原性和耐氧化性;高效率的离子导电度;高的透导率(自由离子的数越多，离子导电度越低);低粘度(自由离子的移动的容易性);低凝固点。
3.电解液预充电的目的及条件
为了提高电池的安全性能，防止过充电及热露出;增强容量及提高寿命我们要进行电解液的注入，同时要对电解液进行预充电，其目的是为了增进电解液含浸性;为去除水分.减少电池的厚度;充电之后，在高温下帮助皮膜形成。电解液注入后，在预充电投入之前，为电解液被吸入设定等待时间。平均等待时间设定为30分钟左右。为让电解液充分被吸入，等待一定时间后，对已注入电解液的电池芯进行预充电。

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以静电流方式进行充电;充电快要完毕时，根据电压、电流、充电容量判定出是否良品;各型号产品充电条件大不相同，
4.电解液的安全性能
在液态锂离子电池首次充电过程中，负极材料石墨与电解液首次作用形成SEI膜，良好的SEI膜能够改善电池的安全性能，以下是使用Vinylene carbonate(VC)作为添加剂的的量子化学计算结果，其作用主要是抑制电解液的分解，使石墨负极形成良好的SEI膜，提高电极可逆容量和稳定性。另外还可以通过添加过充保护添加剂和高沸点高闪点的阻燃剂作为电解液的添加剂，从而确保安全性能。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志总第445期 2012年第08期(2月28 日出版)
[1]庄全超，武山，刘文元等，锂离子电池有机电解液研究[J].电化学，2001.07
[2]卜源，马晓华，杨清等.电池，2006.36
[3]张勇，胡信国，张翠芬等，有机溶剂对锂离子电池性能的影响[J].电池，2004.34

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